[發明專利]一種柔性納米膜壓力傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 202111597722.6
• 申請日: 2021-12-24
• 公開（公告）號: CN114279601A
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 陳璐瑤;潘力佳;施毅;張嘉漢;高興迅;張景
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01L1/16
• 分類號: G01L1/16;G01L9/08
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 馬玉雯

本發明公開了一種柔性納米膜壓力傳感器及其制備方法，該傳感器由兩個表面鍍金的聚乙烯醇納米纖維膜和中間的離子凝膠納米纖維膜組成三明治結構。其中，聚乙烯醇納米纖維即是電極的支撐材料，同時也作為膠水將三層薄膜結構粘在一起，對器件結構與起到固定作用。該壓力傳感器全納米纖維的結構使得器件具有輕薄透氣與皮膚兼容性好的特點，適用于長時間人體佩戴與健康監測。此外，nF級別的雙電層電容使得該器件具有很高的信噪比。通過該方法制得的薄膜壓力傳感器，在0.05?80kPa的寬壓力范圍內具有超高的線性度(0.99)和靈敏度(5.9kPa^?1)，有利于后期信號處理的簡化，從而降低整個可穿戴系統的復雜度。

技術領域

本發明涉及電子皮膚觸覺傳感技術領域，具體涉及一種柔性納米膜壓力傳感器及其制備方法。

背景技術

柔性電子皮膚作為可穿戴設備，由于其與皮膚的兼容性好，佩戴舒適等特點具有廣闊的應用前景。

目前柔性壓力傳感器在材料，微結構，器件結構等方面不斷改進和提升，通過參雜碳納米管、石墨烯等材料，或者通過添加表面微結構陣列等方法來提升器件靈敏度。然而，由于人體自身存在電容，傳統的電容式觸覺傳感器很容易受到外界干擾。此外，目前的柔性電子皮膚普遍存在線性度不高，模量大等缺點。

因此，納米纖維膜結構以及離電式傳感在電子皮膚領域具有廣闊的應用空間，為目前存在的問題提出了很好的解決方案。

發明內容

本發明為了解決現有壓力傳感器存在的線性度低，電容信號易受干擾等問題，提出了一種柔性納米膜壓力傳感器及其制備方法。

本發明采用以下技術方案

一種柔性納米膜壓力傳感器，所述傳感器由兩片鍍有金電極的聚乙烯醇納米纖維膜，以及中間離子凝膠納米纖維膜組成三明治結構；所述聚乙烯醇納米纖維膜鍍有金電極的一面相對疊合，金電極在聚乙烯醇納米纖維膜表面未完全覆蓋，四周留有寬度為0.3mm的空白區域作為與離子凝膠納米纖維的粘連區域。

進一步的，所述離子凝膠納米纖維膜的平均厚度為50～80μm。

一種柔性納米膜壓力傳感器的制備方法，包括如下步驟：

步驟S1、制備聚乙烯醇納米纖維膜；

步驟S2、在步驟S1所得聚乙烯醇納米纖維膜表面鍍金電極；

步驟S3、聚乙烯醇納米纖維膜表面鍍金電極后，在金電極的末端用導電銀膠焊一根銅線；

步驟S4、離子液體和聚合物混合制備前驅液體，隨后通過靜電紡絲制備離子凝膠納米纖維膜；

步驟S5、將兩片表面鍍金電極的聚乙烯醇納米纖維膜與離子凝膠納米纖維膜組裝成單個傳感器。

進一步的，所述步驟S1，包括以下幾個具體步驟：

步驟S11，將聚乙烯醇加入溶劑純水中，質量比為1：9；加入攪拌子，在70攝氏度溫度下水浴加熱攪拌至全部溶解，然后在室溫下靜置，消除攪拌過程產生的氣泡，得到靜電紡絲的前驅液體；

步驟S12，所得的前驅液體倒入針管，在機械泵的驅動和高壓電場的作用下，針頭中的液體向接收器噴射，并形成聚乙烯醇納米纖維膜；使用針頭型號為22G，將高壓電壓與針頭連接，接收器接地，接收器轉速為40rpm，施加的高壓電壓為20kV，機械泵的堆料速度為5μL/min，濕度為60％～70％，溫度為20℃～25℃。

進一步的，所述步驟S2，包括以下具體步驟：

步驟S21，將自制掩模覆蓋于聚乙烯醇納米纖維膜表面；

步驟S22，將有掩模覆蓋的聚乙烯納米纖維膜放入磁控濺射的基片區域，采用金靶作為靶材；抽真空后，開啟電壓，使金原子沉積在聚乙烯醇納米纖維膜表面。